BRPI0806979A2 - alloy based on titanium aluminides, method of producing an alloy, component made from an alloy and use of an alloy - Google Patents
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Abstract
LIGA à BASE DE ALUMINIDOS DE TITáNIO, MéTODO PARA A PRODUçãO DE UMA LIGA, COMPONENTE FABRICADO A PARTIR DE UMA LIGA E USO DE UMA LIGA. A presente invenção refere-se a ligas à base de aluminidos de titânio, em particular fabricadas através do uso de processos de fundição ou de pó metalúrgico, preferivelmente à base de y (TiAl) . Uma liga de acordo com a invenção tem a composição Ti (38 a 42 átomos %) Al (5 a 10 átomos %) Nb, na qual a composição compreende estruturas de lamelas compostas com uma fase B19 e uma fase <225> em cada uma das lamelas, nas quais a razão, em particular a razão do volume da fase B19 e da fase 13 em cada uma das lamelas é entre 0.05 e 20, em particular entre 0.1 e 10. As ligas são caracterizadas por uma alta rigidez e uma alta resistência à deformação com, simultaneamente, uma alta ductilidade e resistência à fratura.TITANIUM ALUMINUM ALLOY, METHOD FOR PRODUCING AN ALLOY, COMPONENT MANUFACTURED FROM A ALLOY AND USE OF AN ALLOY. The present invention relates to titanium aluminide based alloys, in particular manufactured by the use of foundry or metallurgical powder processes, preferably y (TiAl) based. An alloy according to the invention has the composition Ti (38 to 42 atoms%) Al (5 to 10 atoms%) Nb, wherein the composition comprises lamellae structures composed of a B19 phase and a <225> phase in each. lamellae, in which the ratio, in particular the volume ratio of phase B19 and phase 13 in each of the lamellae is between 0.05 and 20, in particular 0.1 to 10. Alloys are characterized by high rigidity and high resistance to deformation with both high ductility and fracture resistance.
Description
"LIGA À BASE DE ALUMINIDOS DE TITÂNIO, MÉTODO PARA A PRODUCAO DEUMA LIGA, COMPONENTE FABRICADO A PARTIR DE UMA LIGA E USODE UMA LIGA""ALLOY BASED ON TITANIUM ALUMINATES, METHOD FOR PRODUCING ONE ALLOY, COMPONENT MANUFACTURED FROM AN ALLOY AND USING AN ALLOY"
A presente invenção refere-se a ligas à base dealuminido de titânio, em particular aquelas fabricadas através douso de processos de fundição ou de pó metalúrgico, preferivelmenteà base de y (TiAl).The present invention relates to titanium aluminide-based alloys, in particular those made by ductile or metallurgical powder processes, preferably y-based (TiAl).
As ligas de aluminido de titânio são caracterizadaspela sua baixa densidade, com uma alta rigidez e com uma boaresistência a corrosão. Em um estado fixo, as mesmas têm umdominio com uma estrutura hexagonal (a) , com estruturas de duasfases (oí + P) e com uma fase p com o corpo centrado de formacúbica e/ou com fase y.Titanium aluminum alloys are characterized by their low density, high rigidity and good corrosion resistance. In a fixed state, they have a domain with a hexagonal structure (a), with two-phase structures (oi + P) and with a p-phase with the formacubic centered body and / or y-phase.
Na prática industrial, as ligas à base de uma fase yinter metálica (TiAl) com uma estrutura tetragonal e que contémporções minoritárias de fase oc2 (TÍ3A1) com uma estruturahexagonal em adição a fase majoritária y (TiAl) sãoparticularmente interessantes. Estas ligas de aluminido de titâniode y são caracterizadas por propriedades como uma baixa densidade(3.85 - 4.2 g/cm3) , com altos módulos elásticos, com uma altarigidez e com resistência a deformação de até 700 °C, algo que astorna bastante atrativas como um material de construção de pesoleve para as aplicações em altas temperaturas. Os exemplos dasmesmas são as caixas das turbinas nos motores de aviões e nasturbinas estacionárias a gás, em válvulas de motores e nosventiladores de gás quente.In industrial practice, alloys based on a metal yinter phase (TiAl) having a tetragonal structure and containing minor portions of oc2 phase (Ti3A1) with a hexagonal structure in addition to the major y phase (TiAl) are particularly interesting. These y-titanium aluminum alloys are characterized by properties such as low density (3.85 - 4.2 g / cm3), high elastic modulus, high altar strength and creep resistance up to 700 ° C, which makes them very attractive as a lightweight building material for high temperature applications. Examples are the turbine housings on aircraft engines and stationary gas nasturbines, engine valves, and hot-gas fans.
Na importante área técnica de ligas com um conteúdode alumínio entre 45 átomos % e 49 átomos %, uma série deconversões de fase ocorre durante a solidificação a partir dafundição e durante o subseqüente resfriamento. A solidificaçãopode ocorrer tanto completamente via o cristal misturado de (3 comuma estrutura de corpo centrado de forma cúbica (uma fase de altatemperatura) ou em duas reações peritéticas nas quais o cristalmisturado de a com uma estrutura hexagonal e a fase y participam.In the important technical area of alloys with an aluminum content between 45% to 49% atoms, a series of phase conversions occurs during solidification from the casting and during subsequent cooling. Solidification can occur either completely via the mixed crystal of (3 with a cubically centered body structure (a phase of high temperature) or in two peritetic reactions in which the mixed crystal of a with a hexagonal structure and the y phase participate.
Adicionalmente, é conhecido o fato que o alumínio emligas de aluminido de titânio de y causa um aumento na ductilidadee na resistência a oxidação. Ainda mais, o elemento Nióbio (Nb)leva a um aumento na rigidez, na resistência a deformação, naresistência à oxidação, mas também na ductilidade. Com o elementoboro, o qual é praticamente insolúvel na fase y, um refinamento degrão pode ser conseguido em ambos no estado durante a fundição edepois da reformação com o subseqüente tratamento a calor na áreade a. Uma porção aumentada da fase $ na estrutura como umresultado do baixo conteúdo de alumínio e da alta concentração de elementos de estabilização de p pode acarretar numa dispersãodesigual desta fase e pode causar a deterioração das propriedadesmecânicas.Additionally, it is known that aluminum alloys of y titanium aluminide cause an increase in ductility and oxidation resistance. Further, the element Niobium (Nb) leads to an increase in stiffness, deformation resistance, oxidation resistance, but also ductility. With elementoboro, which is practically insoluble in the y phase, a grain refinement can be achieved in both the state during casting and after reforming with subsequent heat treatment in the a area. An increased portion of phase β in the structure as a result of the low aluminum content and high concentration of β-stabilizing elements may result in an uneven dispersion of this phase and may cause deterioration of mechanical properties.
As propriedades mecânicas de ligas de aluminido detitânio são fortemente anisotrópicas devido ao seu comportamentono que diz respeito à deformação e a quebra mas também devido aanisotropia estrutural das preferivelmente estabelecida estruturalamelar ou estrutura duplex. Os processo de fundição, osdiferentes processos de pó metalúrgico e de reformação e ascombinações destes processos de produção são usados para umajustamento de estrutura e de textura alvos na produção decomponentes fabricados com aluminido de titânio.The mechanical properties of detitanium aluminum alloys are strongly anisotropic due to their behavior regarding deformation and fracture but also due to structural anisotropy of the preferably established structural lamellar or duplex structure. The foundry processes, the different metallurgical and reforming powder processes and the combinations of these production processes are used for a structure and texture adjustment target in the production of titanium aluminide components.
Adicionalmente, uma liga de aluminido de titânio, aqual tem uma estrutura que é estruturalmente e quimicamentehomogênea, é conhecida a partir da patente européia EP 1 015 650 BI. As fases majoritárias y (TiAl) e oí2 (TÍ3A1) são aquidistribuídas de uma maneira dispersa e fina. A liga de aluminidode titânio revelada com um conteúdo de alumínio de 45 átomos % écaracterizada por propriedades mecânicas e por propriedades emalta temperatura extraordinariamente boas.Additionally, a titanium aluminide alloy, which has a structure that is structurally and chemically homogeneous, is known from European patent EP 1 015 650 BI. The major phases y (TiAl) and o2 (Ti3A1) are distributed in a dispersed and fine manner. The titanium aluminum alloy developed with an aluminum content of 45% atoms is characterized by mechanical properties and extraordinarily good high temperature properties.
Geralmente, os aluminidos de titânio à baseyde(TiAl) são caracterizados pela sua alta rigidez, pelos seusmódulos altamente elásticos, pela boa oxidação e pela resistênciaa deformação com, simultaneamente, uma baixa densidade. Com basenestas propriedades as ligas de TiAl deveriam ser usadas comomateriais de alta temperatura. Estes tipos de aplicação sãobastante prejudicadas através de uma maleabilidade plástica muitobaixa e pela baixa resistência a fratura. Rigidez e maleabilidade,conforme em vários outros materiais, aqui se comportaminversamente. As ligas de alta potência tecnicamente interessantessão portanto freqüentemente e particularmente quebradiças. Examese testes exaustivos para a otimização da estrutura foramdesenvolvidos com o objetivo de eliminar estas propriedadesdesvantajosas.Baseyde titanium aluminides (TiAl) are generally characterized by their high rigidity, highly elastic modulus, good oxidation and low deformation resistance at the same time. With these properties, TiAl alloys should be used as high temperature materials. These types of applications are severely impaired through very low plastic malleability and low fracture resistance. Rigidity and malleability, as in many other materials, behaves inversely here. High power alloys technically of interest are therefore often and particularly brittle. Exhaustive tests for structure optimization were developed to eliminate these disadvantageous properties.
Os tipos de estrutura previamente desenvolvidos podemser rudemente categorizados da seguinte forma: a)estruturas gamacoaxiais; b) estrutura duplex e c) estruturas lamelares. 0 estadode desenvolvimento presentemente alcançado está representado emdetalhe, por exemplo, em:Previously developed structure types can be roughly categorized as follows: a) gamma-coaxial structures; b) duplex structure and c) lamellar structures. The presently achieved state of development is represented in detail, for example in:
Y. W. Kim, D. M. Dimiduk, nas Estruturas InterMetálicas 1997, Eds. M. V. nathal, R. Darolia, C.T. Liu, P. L.Martin, D. B. Miracle, R. Wagner, M. Yamaguchi, TMS, WarrandalePA, 1996, pg. 531.Y. W. Kim, D. M. Dimiduk, in InterMetallic Structures 1997, Eds. M. V. nathal, R. Darolia, C.T. Liu, P.L.Martin, D.B. Miracle, R. Wagner, M. Yamaguchi, TMS, WarrandalePA, 1996, p. 531.
M. Yamaguchi, H. Inui, K. Ito, Seta mater. 48(2000), pág. 307 .M. Yamaguchi, H. Inui, K. Ito, Seta mater. 48 (2000), p. 307
As estruturas fabricadas com aluminido de titânioforam previamente e principalmente refinadas com aditivos de boro,os quais acarretam na formação de boretos de titânio (refira-se aT.T. Cheng no: Aluminidos de Titânio Gama 1999, Eds. Y. W. Kim, D.M. Dimiduk, M. H. Loretto, TMS, Warrendale PA, 1999, pg. 389, e Y.W. Kim, D. M. Dimiduk, no: Estruturas Intermetálicas 2001, Eds. K.J. Hamker, D. M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, J. M.Larsen, V. K. Sikka, M. Thomas, J. D. Whittenberger, TMS,Warrendale PA, 2001, pg. 625).Structures made from titanium aluminide have been previously and mainly refined with boron additives, which lead to the formation of titanium borides (refer to T.T. Cheng No.: Gamma Titanium Aluminides 1999, Eds. YW Kim, DM Dimiduk, MH Loretto, TMS, Warrendale PA, 1999, pp. 389, and YW Kim, DM Dimiduk, in: Intermetallic Structures 2001, Eds. KJ Hamker, DM Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, JMLarsen, VK Sikka, M. Thomas, JD Whittenberger, TMS, Warrendale PA, 2001, p. 625).
Para refinamento e consolidação adicionais daestrutura, as ligas são usualmente sujeitas a várias reformaçõesem alta temperatura através de extrusão ou de forj amento. Nessesentido, referência é feita também às seguintes publicações:For further refinement and consolidation of the structure, the alloys are usually subjected to various high temperature reformations by extrusion or forging. In this regard, reference is also made to the following publications:
Aluminidos de Titânio Gama, Eds. Y. W.; Kim, R.Wagner, M. Yamaguchi, TMS, Warrendale PA, 1995.Gamma Titanium Aluminides, Eds. Y. W .; Kim, R. Wagner, M. Yamaguchi, TMS, Warrendale PA, 1995.
Estruturas Inter Metálicas 1997, Eds. M. V. Nathal,R. Darolia, C. T. Liu, P. L. Martin, D. B. Miracle, R. Wagner, M.yamaguchi, TMS, Warrendale PA, 1997.Intermetallic Structures 1997, Eds. M. V. Nathal, R. Darolia, C.T. Liu, P.L. Martin, D.B. Miracle, R. Wagner, M.yamaguchi, TMS, Warrendale PA, 1997.
Aluminidos de Titânio Gama 1999, Eds. Y. W. Kim, D.M. Dimiduk, M. H. Loretto, TMS, Warrendale PA, 1999.Titanium Aluminides Range 1999, Eds. Y. W. Kim, D.M. Dimiduk, M.H. Loretto, TMS, Warrendale PA, 1999.
Estruturas Inter Metálicas 2001, Eds. K. J. Hemker,D. M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, J. M. Larsen, V.K. Sikka, M. Thomas, J. D. Whittenberger, TMS, Warrendale PA, 2001.Intermetallic Structures 2001, Eds. K. J. Hemker, D. M. Dimiduk, H. Clemens, R. Darolia, H. Inui, J. M. Larsen, V.K. Sikka, M. Thomas, J. D. Whittenberger, TMS, Warrendale PA, 2001.
Procedendo a partir deste estado da técnica, oobjetivo da presente invenção é disponibilizar uma liga dealuminido de titânio com uma estrutura morfológica fina, emparticular em uma variação nano métrica. Adicionalmente, oobjetivo é disponibilizar um componente com uma liga homogênea.Proceeding from this state of the art, the object of the present invention is to provide a titanium aluminide alloy with a thin morphological structure, in particular in a nanometric range. Additionally, the goal is to provide a component with a homogeneous alloy.
Este objetivo é resolvido através de uma conexãointer metálica, respectivamente, uma liga à base de aluminidos detitânio, em particular, fabricadas através do uso de um processode fundição ou de pó metalúrgico, preferivelmente à base de y(TiAl), com a seguinte composição:This objective is solved by means of a metal interconnect, respectively, an alloy based on detitanium aluminides, in particular, manufactured using a foundry process or metallurgical powder, preferably y-based (TiAl), having the following composition:
Ti - (38 a 42 átomos %) Al - (5 a 10 átomos %) Nbna qual a composição compreende estruturas lamelares compostas comuma fase B19 e uma fase B em cada lamela, na qual a razão emparticular da razão do volume da fase B19 a da fase B em cada umadas lamelas é entre 0.05 e 20, em particular entre 0.1 e 10.Ti - (38 to 42 atoms%) Al - (5 to 10 atoms%) Nb where the composition comprises lamellar structures composed of one phase B19 and one phase B on each coverslip, wherein the particular ratio of the volume ratio of phase B19 to of phase B in each of the coverslips is between 0.05 and 20, in particular between 0.1 and 10.
Foi demonstrado que neste tipo de conexão intermetálica as estruturas lamelares compostas com estruturas notamanho nano métrico são criadas respectivamente presentes, aopasso que as formações similares a lamelares, respectivamente, aslamelas moduladas são fabricadas com uma cristalografia diferente,formadas alternadamente pela fase B19 e pela fase B. As estruturaslamelares compostas criadas são aqui amplamente circundadas por y(TiAl).It has been shown that in this type of intermetallic connection lamellar structures composed of nanometer-sized structures are created respectively present, whereas lamellar-like formations, respectively, modulated lamellas are fabricated with a different crystallography, formed alternately by phase B19 and phase B. The composite lamellar structures created here are largely surrounded by y (TiAl).
Estes tipos de estruturas lamelares compostas podemser estabelecidas em ligas usando as tecnologias de produçãoconhecidas, por exemplo, através da fundição, reformação etecnologias de pó. As ligas são caracterizadas por uma rigidezextremamente alta e por uma resistência a deformação tambémextremamente alta com, simultaneamente, uma alta ductilidade eresistência à fratura.These types of composite lamellar structures can be established in alloys using known production technologies, for example through casting, reforming and powder technologies. Alloys are characterized by extremely high stiffness and extremely high creep resistance with high ductility and fracture resistance.
Como soluções adicionais (independentes) e destacadaspara este objetivo, as ligas são sugeridas, nas quais uma liga àbase de aluminidos de titânio, em particular fabricada através douso de processos de fundição ou de pó metalúrgico, preferivelmenteà base de y (TiAl), tem uma das seguintes composições:Ti - (38.5 a 42.5 de %) Al - (5 a 10 de %) Nb - (0.5 a 5 de %) Cr,Ti - (39 a 43 de %) Al - (5 a 10 de %) Nb - (0.5 a 5 de %) ZrTi - (41 a 44.5 de %) Al - (5 a 10 de %) Nb - (0.5 a 5 de %) MoTi - (41 a 44.5 de %) Al - (5 a 10 de %) Nb - (0.5 a 5 de %) FeTi - (41 a 45 de %) Al - (5 a 10 de %) Nb - (0.1 a 1 de %) LaTi - (41 a 45 de %) Al - (5 a 10 de %) Nb - (0.1 a 1 de %) ScAs additional (standalone) solutions highlighted for this purpose, the alloys are suggested in which a alloy based on titanium aluminides, in particular manufactured by means of foundry or metallurgical powder processes, preferably based on y (TiAl), has a of the following compositions: Ti - (38.5 to 42.5%) Al - (5 to 10%) Nb - (0.5 to 5%) Cr, Ti - (39 to 43%) Al - (5 to 10%) ) Nb - (0.5 to 5%) ZrTi - (41 to 44.5%) Al - (5 to 10%) Nb - (0.5 to 5%) MoTi - (41 to 44.5%) Al - (5 at 10%) Nb - (0.5 to 5%) FeTi - (41 to 45%) Al - (5 to 10%) Nb - (0.1 to 1%) LaTi - (41 to 45%) Al - (5 to 10%) Nb - (0.1 to 1%) Sc
Ti- (41 a 45 de ?) Al- (5a 10 de %) Nb- (0.1 a 1 de %) YTi - (42 a 46 de %) Al - (5a 10 de %) Nb - (0.5 a 5 de %) MnTi - (41 a 4 5 de %) Al - (5 a 10 de %) Nb - (0.5 a 5 de %) TaTi - (41 a 45 de %) Al - (5a 10 de %) Nb - (0.5 a 5 de %) VTi - (41 a 46 de %) Al - (5a 10 de %) Nb - (0.5 a 5 de %) W.Ti- (41 to 45%) Al- (5 to 10%) Nb- (0.1 to 1%) YTi - (42 to 46%) Al - (5 to 10%) Nb - (0.5 to 5%) %) MnTi - (41 to 45%) Al - (5 to 10%) Nb - (0.5 to 5%) TaTi - (41 to 45%) Al - (5 to 10%) Nb - ( 0.5 to 5%) VTi - (41 to 46%) Al - (5a to 10%) Nb - (0.5 to 5%) W.
Cada uma das ligas de aluminido de titânio indicadaspode, opcionalmente, ter aditivos de boro e/ou de carbono, nasquais em uma realização das composições das ligas indicadasrespectivamente, cada um dos compostos intermetálicos compreende,opcionalmente, (0.1 a 1 de %) B (boro) e/ou (0.1 a 1 de %) C(Carbono) . A já fina estrutura da liga é aqui refinadaadicionalmente.Each of the indicated titanium aluminide alloys may optionally have boron and / or carbon additives, in which in one embodiment of the respectively indicated alloy compositions, each of the intermetallic compounds optionally comprises (0.1 to 1%) B ( boron) and / or (0.1 to 1%) C (carbon). The already thin alloy structure is further refined here.
Dentro e no que diz respeito à estrutura da invenção,os remanescentes das composições de liga especificadas sãofabricadas com titânio e com as impurezas inevitáveis.Within and with respect to the structure of the invention, the remainder of the specified alloy compositions are made of titanium and with unavoidable impurities.
De acordo com a invenção, as ligas, assim sendodisponibilizadas, as quais são adequadas como um material deconstrução de peso leve, servem para as aplicações em altastemperaturas, tais como caixas de turbinas ou de motores e componentes de turbinas.According to the invention, thus available alloys which are suitable as a lightweight construction material are suitable for high temperature applications such as turbine housings or engine and turbine components.
As ligas de acordo com, a invenção são produzidasusando processos ou técnicas de fundição metalúrgica ou de pómetalúrgico ou usando os processos em combinação com as técnicasde reformação.The alloys according to the invention are produced using metallurgical or powder metallurgical casting processes or techniques or using the processes in combination with the forming techniques.
As ligas de acordo com a invenção são caracterizadaspelo fato que as mesmas têm uma microestrutura bem fina e uma altarigidez e uma alta resistência à deformação com, simultaneamente,uma boa ductilidade e resistência a fratura, em particular no quediz respeito a ligas sem as estruturas lamelares compostas deacordo com a invenção.The alloys according to the invention are characterized by the fact that they have a very thin microstructure and high strength and high creep resistance while having good ductility and fracture resistance, particularly with regard to alloys without lamellar structures. compounds according to the invention.
É do conhecimento que as ligas de aluminido detitânio com conteúdos de 38 a 45 de % e outros aditivos, porexemplo, de elementos refratários, contém relativamente grandesvolumes de porções da fase p, algo que também pode estar presenteem uma forma controlada conforme a fase B2. O arranjocristalográfico de distribuição dos átomos destas duas fases émecanicamente instável no que diz respeito aos processos decisalhamento homogêneo, algo que pode acarretar em conversões doarranjo de distribuição dos átomos. Esta propriedade é,principalmente, atribuída a razão de ligação anisotrópica e asimetria do arranjo de distribuição dos átomos do corpo centradode forma cúbica. A tendência da fase p ou da fase B2 em relação atransformação do arranjo da distribuição dos átomos é, assimsendo, muito distinta. As diferentes fases ortorrômbicas podem serformadas através de uma transformação de cisalhamento do arranjode distribuição dos átomos do corpo centrado de forma cúbica dafase p ou da fase B2, as quais as fase B19 e B33 pertencem,particularmente.It is well known that detitanium aluminum alloys with contents of 38 to 45% and other additives, eg refractory elements, contain relatively large volumes of p-phase portions, which may also be present in a B2-phase controlled form. The crystallographic arrangement of the distribution of atoms of these two phases is mechanically unstable with respect to homogeneous decay processes, which may lead to conversions of the arrangement of atoms. This property is mainly attributed to the anisotropic bonding ratio and asymmetry of the distribution arrangement of the atoms of the center body of the cubic shape. The tendency of phase p or phase B2 to change the arrangement of the distribution of atoms is thus very distinct. The different orthorhombic phases can be formed by a shear transformation of the cubically centered body atoms distribution arrangement of phase p or phase B2, to which phases B19 and B33 belong in particular.
A invenção tem como base a idéia de usar estastransformações do arranjo de distribuição dos átomos através daconversão de cisalhamento para um refinamento adicional damicroestrutura das ligas de aluminido de titânio de acordo com ainvenção. Este tipo de processo não é previamente conhecido paraligas de aluminido de titânio na literatura cientifica. No casodas ligas de acordo com a invenção listada acima, as fasesquebradiças como ao, ao' e oa' ' também são evitadas através daconversão de cisalhamento, a qual é extremamente desvantajoso paraas propriedades materiais mecânicas.The invention is based on the idea of using this transformation of the atom distribution arrangement by shear conversion for further refinement of the microstructure of titanium aluminum alloys according to the invention. This type of process is not previously known titanium aluminide parallels in the scientific literature. In the case of alloys according to the invention listed above, brittle phases such as steel, steel and a are also avoided by shear conversion, which is extremely disadvantageous to the mechanical material properties.
Uma vantagem importante da ligas de acordo com ainvenção é que o refinamento da estrutura das ligas é conseguidosem a adição de elementos de refinamento de grãos ou elementos derefinamento de estruturas ou de aditivos tais como o boro (B) e asligas, assim sendo, não contém boretos. Uma vez quer os boretosocorrendo nas ligas de TiAl são quebradiços, os mesmos acarretamem quebradiças nas ligas de TiAl com um certo conteúdo egeralmente representam rachaduras potenciais dos núcleos em ligascontendo boro.An important advantage of alloys according to the invention is that the refinement of the alloy structure is achieved by the addition of grain refinement elements or structure-defining elements or additives such as boron (B) and alloys, therefore, does not contain borides. Since borides occurring in TiAl alloys are brittle, they cause brittle TiAl alloys with a certain content and usually represent potential cracks in the boron-containing nuclei.
As ligas são adicionalmente caracterizadas pelo fatoque a composição correspondente compreende estruturas de lamelacomposta com a fase B19 e a fase (3 em cada uma das lamelas, nasquais as lamelas são circundadas pela fase TiAl-y-The alloys are further characterized by the fact that the corresponding composition comprises lamellar structures composed of phase B19 and phase (3 in each of the lamellae, in which the lamellae are surrounded by the TiAl-y-phase.
Em particular, a razão, em particular a razão dovolume, de cada uma da fase BI9 e da fase (3 em uma lamela é entre0.05 e 20, em particular entre 0.1 e 10. Adicionalmente, a razão,em particular a razão do volume, de cada uma da fase B19 e da fase[3 em uma lamela é entre 0.2 e 5, em particular entre 0.25 e 4.Preferivelmente, a razão, em particular a razão do volume, de cadauma da fase B19 e da fase (3 em cada uma das lamelas é entre (1/3)e 3, em particular entre 0.5 e 2. Uma estrutura particularmentefina na composição da liga também é caracterizada pelo fato que arazão, em particular a razão do volume, de cada uma da fase B19 eda fase (3 em cada uma das lamelas é entre 0.75 e 1.25, emparticular entre 0.8 e 1.2, preferivelmente entre 0.9 e 1.1.In particular, the ratio, in particular the volume ratio, of each of phase BI9 and phase (3 on a coverslip is between 0.05 and 20, in particular between 0.1 and 10. In addition, the ratio, in particular the ratio of each of phase B19 and phase [3 on a coverslip is between 0.2 and 5, in particular between 0.25 and 4. Preferably, the ratio, in particular the volume ratio, of each of phase B19 and phase ( 3 on each of the coverslips is between (1/3) and 3, in particular between 0.5 and 2. A particularly fine structure in the alloy composition is also characterized by the fact that reason, in particular the volume ratio, of each of the phase B19 and phase (3 in each slide are between 0.75 and 1.25, in particular between 0.8 and 1.2, preferably between 0.9 and 1.1.
Adicionalmente, é possível em uma realizaçãoadicional das ligas de acordo com a invenção que as lamelas dasestruturas de lamelas compostas sejam circundadas por lamelas dotipo y (TiAl), preferivelmente sobre ambos os lados da lamela.Additionally, it is possible in an additional embodiment of the alloys according to the invention that the lamellae of the composite lamellae structures are surrounded by y-type lamellae (TiAl), preferably on both sides of the lamella.
As ligas são adicionalmente caracterizadas pelo fatoque as lamelas das estruturas de lamelas compostas tem um volumede porção maior do que 10%, pref erivelmente maior do que 20%, daliga total.Alloys are further characterized by the fact that the lamellae of composite lamellae structures have a portion volume greater than 10%, preferably greater than 20%, of the total alloy.
Adicionalmente, a estrutura similar a uma lamela finanas estruturas compostas é retida se as lamelas da estrutura delamela composta TiAl têm a fasea2 - TÍ3A1 com uma porção de até20%, na qual em particular a razão (do volume) da fase B19 e dafase (3 nas lamelas permanecer imutável e constante.In addition, the lamella-like structure in the composite structure is retained if the TiAl composite delamella structure lamellae have a phase 20 - Ti3A1 of up to 20%, in particular the (volume) ratio of phase B19 and phase (3). on the coverslips remain unchanging and constant.
As ligas de acordo com a invenção são adequadas comoum material de construção de peso leve de alta temperatura paracomponentes que são expostos a temperaturas de até 800 °C.The alloys according to the invention are suitable as a high temperature light weight construction material for components which are exposed to temperatures of up to 800 ° C.
O objetivo também é resolvido através de um métodopara a produção de uma liga descrita acima usando técnicas defundição ou de pó metalúrgico, nas quais a produção da liga em umproduto intermediário, ou um outro tratamento de calor do produtointermediário é desempenhado em temperaturas acima de 900 °C,pref erivelmente acima de 1000 °C, em particular em temperaturasentre 1000 °C e 1200 °C, por um per iodo de tempo pré-determinadode mais do que 60 minutos, pref erivelmente mais do que 90 minutos,e a liga tratada a calor é subseqüentemente resfriada com uma taxade resfriamento pré-determinada de mais do que 0.5 °C por minuto.The objective is also solved by a method for producing an alloy described above using melting or metallurgical powder techniques, in which the production of the alloy in an intermediate product, or another heat treatment of the intermediate product is performed at temperatures above 900 °. C, preferably above 1000 ° C, in particular at temperatures between 1000 ° C and 1200 ° C, for a predetermined time period of more than 60 minutes, preferably more than 90 minutes, and the alloy treated at The heat is subsequently cooled to a predetermined cooling rate of more than 0.5 ° C per minute.
Em particular, a liga tratada a calor é resfriada comuma taxa de resfriamento pré-determinada entre 1 °C por minuto a20 °C por minuto, preferivelmente até 10 °C por minuto.In particular, the heat treated alloy is cooled to a predetermined cooling rate of from 1 ° C per minute to 20 ° C per minute, preferably up to 10 ° C per minute.
O objetivo desta invenção também é resolvida atravésde um componente, o qual é fabricado de uma liga de acordo com a invenção, na qual em particular, a liga é fabricada através deprocessos ou de técnicas de fundição ou de pó metalúrgico. Atravésdas ligas à base de uma ligação intermetálica do tipo y - Ti Al,materiais ou componentes leves (de alta temperatura) sãodisponibilizados para o uso em motores térmicos como motores a combustão, turbinas a gás, motores de aeronaves.The object of this invention is also solved by a component which is made of an alloy according to the invention, in which in particular the alloy is made by process or casting or metallurgical powder techniques. Through alloys based on a y - Ti Al intermetallic connection, light (high temperature) materials or components are available for use in thermal engines such as combustion engines, gas turbines, aircraft engines.
O objetivo também é resolvido em um uso de uma ligade acordo com a invenção acima mencionada para a produção de umcomponente. Para evitar repetições, referência é feitaexpressamente a exposição supra citada.The object is also solved in a use of a slight according to the aforementioned invention for the production of a component. To avoid repetition, reference is made expressly to the above exposure.
As ligas de acordo com a invenção com as composiçõesacima listadas são preferivelmente criadas através do uso demétodos metalúrgicos de fundição convencionais ou através detécnicas de pó metalúrgico conhecidas e podem, por exemplo, serprocessadas através de forjamento a calor, pressão a calor ou extrusão a calor e rolamento a calor.The alloys according to the invention with the above listed compositions are preferably created by use of conventional foundry metallurgical methods or by known metallurgical powder techniques and may, for example, be processed by heat forging, heat pressure or heat extrusion and heat rolling.
As estruturas de lamelas compostas são mostradasabaixo à base de uma liga de acordo com a invenção com umacomposição Ti - 42 átomos % Al - 8.5 átomos % Nb.Composite lamellae structures are shown below on the basis of an alloy according to the invention with a composition Ti - 42 atoms% Al - 8.5 atoms% Nb.
A Fig. Ia mostra uma foto de uma estrutura de liga, aqual foi tirada com a ajuda de um microscópio de transmissão deelétrons. A fotografia em geral na Figura 1 mostra que asestruturas de lamela composta, as quais são identificadas com um Tna Fig. 1, tem um contraste listrado ao da estrutura da fase ycircundando as estruturas.Fig. 1a shows a picture of an alloy structure which was taken with the help of an electron transmission microscope. The general photograph in Figure 1 shows that composite lamella structures, which are identified with a Tna Fig. 1, have a striped contrast to that of the phase structure surrounding the structures.
A Fig. lb mostra uma fotografia de uma estrutura deliga com uma ampliação mais alta, na qual pode ser visto que asestruturas de lamela compostas e moduladas (como referência veja aletra T) são circundadas pela fase y, respectivamente, sãoembutidas na fase y.Fig. 1b shows a photograph of a higher magnification slender structure, in which it can be seen that the composite and modulated lamellar structures (see Aletra T for reference) are surrounded by the y phase, respectively, are embedded in the y phase.
As estruturas mostradas na Fig. Ia e na Fig. lb foramobtidas ou foram ajustadas através de extrusão.The structures shown in Fig. 1a and Fig. 1b were obtained or adjusted by extrusion.
A Fig. lc mostra uma estrutura fundida da mesma ligaTi - 42 átomos de % Al - 8.5 átomos de % Nb, na qual uma estruturade lamela composta (como referência veja a letra T) também éformada, a qual é circundada pela fase y.Fig. 1c shows a fused structure of the same alloy - 42 atoms of% Al - 8.5 atoms of% Nb, in which a composite lamella structure (for reference see letter T) is also formed, which is surrounded by the y phase.
A Fig. 2a mostra uma ilustração em alta resolução daestrutura atômica das estruturas de lamela compostas acima da fasey-As estruturas de lamela compostas são feitas da fase B19controlada e da fase p não controlada, a qual é limítrofe da fasey (na área mais baixa) . Pode ser visto a partir da Fig. 2 a que asestruturas de lamela compostas contêm duas fases B19 e (3/B2cristalograficamente diferentes, as quais são arranjadas comdistâncias de separação de alguns nanômetros. As estruturas delamela compostas contêm as fases B19 e (3, as quais são ambasconsideradas dúcteis. A razão do volume das fase B19 e das fases (3em uma estrutura de lamela composta é de 0.8 a 1.2. devido asfases dúcteis B19 e p, a estrutura é, principalmente, feita delamelas facilmente maleáveis, as quais são embutidas napreviamente e relativamente quebradiça fase y.Fig. 2a shows a high resolution illustration of the atomic structure of the composite lamellae structures above the fasey. The composite lamellae structures are made of the controlled B19 phase and the uncontrolled p-phase, which is boundary of the fasey (in the lower area). . It can be seen from Fig. 2 that the composite lamellar structures contain two phases B19 and (3 / B2crystallographically different, which are arranged with separation distances of a few nanometers. The composite delamel structures contain phases B19 and (3, the The volume ratio of phases B19 and phases (3 in a composite coverslip structure is 0.8 to 1.2.) due to the ductile phases B19 and p, the structure is mainly made of easily malleable sections, which are previously embedded. and relatively brittle phase y.
A Figura 2b mostra uma ilustração de uma estruturaB19 com uma representação ampliada. O difractogramacorrespondente, o qual foi calculado a partir da seção mostrada naFig. 2b é uma característica da estrutura B19, é mostrado na Fig. 2c.Figure 2b shows an illustration of a structure B19 with an enlarged representation. The corresponding diffractograph, which was calculated from the section shown in Fig. 2b is a feature of structure B19, is shown in Fig. 2c.
A Fig. 3 mostra uma fotografia de um elétronmicroscópio de uma rachadura C na liga acima mencionada. Pode servisto a partir da fotografia que a rachadura C é difratada naestrutura lamelar composta modulada (T) e que as estruturas delamela composta forma ligamentos que podem atuar como uma ponte naextremidade da rachadura. Este tipo de comportamento éconsideravelmente diferente a partir da propagação da rachaduranas ligas de Ti-Al previamente conhecidas, nas quais uma fraturade clivagem ocorre na dimensão microscópica aqui observada. Naliga de acordo com a invenção, a propagação da rachadura éprevenida devido às estruturas de lamela compostas formadas.Fig. 3 shows a photograph of an electron microscope of a crack C in the aforementioned alloy. It can be seen from the photograph that the C crack is diffracted in the modulated composite lamellar structure (T) and that the composite delamella structures form ligaments that can act as a bridge in the end of the crack. This type of behavior is considerably different from the propagation of previously known Ti-Al alloy cracks in which a cleavage fracture occurs in the microscopic dimension observed here. In the alloy according to the invention, crack propagation is prevented due to the formed composite lamellar structures.
A importância da resistência à fratura da estruturapara a aplicação técnica foi determinada com a ajuda de amostrasde Chevron entalhadas no teste de dobradura em temperaturasdiferentes. O registro gravado da curva de tal teste é mostrado naThe importance of the fracture strength of the structure for the technical application was determined with the help of notched Chevron samples in the bend test at different temperatures. The recorded record of the curve of such a test is shown in
Fig. 4. As endentações marcadas pelas setas podem ser vistas nacurva, algo que indica que a propagação da rachadura ocorreintermitentemente durante a larga da amostra, mas é paralisadaoutra e outra vez. Tal comportamento é tipico para ligas que sãofeitas de uma fase quebradiça (fase y) , na qual as fases dúcteisrelativas, fase B19 e fase Ç> são embutidas.Fig. 4. The indentations marked by the arrows can be seen in the curve, which indicates that crack propagation occurs intermittently throughout the sample but is paralyzed over and over again. Such behavior is typical for alloys that are made of a brittle phase (y phase), in which the relative ductile phases, phase B19 and phase β> are embedded.
As ligas de acordo com a invenção podem serfabricadas através de tecnologias conhecidas para as ligas deTiAl, por exemplo, via fundição metalúrgica, tecnologias dereformação e metalurgia de pó. Por exemplo, as ligas sãoderretidas em uma fornalha de arco elétrica e são re derretidaspor várias vezes e são então sujeitas a um tratamento a calor.Adicionalmente, os métodos de produção de fundição a arco devácuo, fundição por indução ou fundição de plasma, os quais sãoconhecidos para os blocos de fundição primária de ligas de TiAlpodem ser usados para a produção. Depois da solidificação domaterial de fundição da fundição primária, prensas quentesisostáticas também podem ser usadas como um método de compressãoem temperaturas de 900 °C a 1.300 °C ou tratamentos a calor numavariação de temperatura de 700 °C até 1.400 °C ou em umacombinação destes tratamentos, como o objetivo de fechar os porose estabelecer uma microestrutura no material.The alloys according to the invention may be manufactured by known technologies for TiAl alloys, for example via metallurgical casting, deformation technologies and powder metallurgy. For example, the alloys are melted in an electric arc furnace and are melted several times and then subjected to heat treatment. In addition, the methods of producing arc flash casting, induction casting or plasma casting, which are well known for TiAl alloy primary casting blocks can be used for production. After solidification of the primary foundry casting material, hot-presses can also be used as a compression method at temperatures from 900 ° C to 1,300 ° C or heat treatments at a temperature range of 700 ° C to 1,400 ° C or a combination of these treatments. , as the goal of closing the porose and establishing a microstructure in the material.
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